Nieprzerwane dostawy żelaza do organizmu stanowią istotny czynnik determinujący stan naszego zdrowia i dobrego samopoczucia. Ten biopierwiastek jest niezwykle ważnym elementem hemoglobiny obecnej w erytrocytach (krwinkach czerwonych), których zadaniem jest wiązanie i transport życiodajnego tlenu do wszystkich komórek i tkanek. Jeśli w diecie występuje jego deficyt, system utleniania zostaje zaburzony, a więc praca organów stopniowo staje się nieefektywna.
W rezultacie stajemy się osłabieni, pojawia się chroniczne zmęczenie, skóra staje się sucha i blada, a cera szorstka, skłonna do wyprysków, podatna na uszkodzenia. W kącikach ust tworzą się zajady, a włosy tracą połysk, rozdwajają się i wypadają. Również stan płytki paznokciowej znacznie podupada na skutek niedoboru kreatyny, której produkcja uzależniona jest od obecności żelaza. Ciągłe uczucie przeszywającego zimna, problemy ze snem, bóle głowy, nieoczekiwany napady migreny, zaburzenia widzenia i podatność na infekcje, brak motywacji do działania, nerwowość, obniżony nastrój prowadzący do depresji są symptomami świadczącymi o niedobrze żelaza w diecie. Warto jednak wiedzieć, że to tylko jedne z nielicznych konsekwencji braku odpowiednich ilości tego pierwiastka. W rzeczywistości jest ich o wiele więcej, tyle że te gorsze nie zawsze ujawniają się już na początku anemii. Prawdziwie negatywne rezultaty ukryte są we wnętrzu organizmu i na ogół nie widać ich “gołym okiem”. Zwykle ujawniają się dużo później, bo to co najgorsze przychodzi dopiero po dłuższym czasie utrzymywania organizmu w stanie anemii.
Dzienne zapotrzebowanie na żelazo
Żelazo obecne jest w ciele człowieka w ilości 3-4 g, co oznacza, że ten pierwiastek należy do grupy mikroelementów, czyli potrzebne nam są wyłącznie jego śladowe ilości. Zapotrzebowanie na żelazo uzależnione jest od wieku, płci, masy ciała, stylu życia, aktywności fizycznej oraz od ewentualnych schorzeń współistniejących.
- Zapotrzebowanie przeciętnego dorosłego mężczyzny wynosi ok. 8 mg/d,
- natomiast kobiety w wieku lat 17-50 – 18 mg/d.
- Kobieta w wieku lat 50 potrzebuje już zaledwie 8 mg/d, natomiast niewiasta ciężarna – aż 27 mg/d.
Szacuje się, że dobowa utrata żelaza waha się w przedziale 1,0 – 1,5 mg. Proces ucieczki odbywa się poprzez złuszczanie komórek nabłonka jelit. Z oczywistych względów, na niedobory najbardziej narażone są kobiety w trakcie menstruacji i laktacji, młodzież u której intensywnie zachodzą procesy wzrostu i rozwoju oraz wegetarianie, weganie i osoby w podeszłym wieku, u których mechanizmy dystrybucji i metabolizowania żelaza są z reguły zaburzone. Za początkową fazę anemii uznaje się moment, w którym poziom żelaza w krwi obwodowej spada poniżej 12 mg/d u kobiet i poniżej 14 mg/d u mężczyzn. Deficytom oraz konsekwencjom wynikającym z niedoboru można zapobiec włączając suplementację lub eliminując z diety pokarmy bogate w błonnik, który posiada właściwości absorbowania tłuszczów i mikroelementów. Osobom z predyspozycjami do anemii zaleca się picie wód mineralnych posiadających w składzie jony żelaza.
Spośród pokładów żelaza skumulowanych w ustroju, zaledwie 70% stanowi frakcję aktywną. Jest to żelazo ulokowane w hemoglobinie, mioglobinie (białko magazynujące żelazo w mięśniach) oraz w niektórych enzymach (katalazy, mitochondrialny cytochrom, peroksydazy), gdzie stanowi tzw. “centrum aktywne”, czyli miejsce bezpośrednio zaangażowane w reakcję chemiczną. I tak np. cytochrom c jest połączeniem odpowiednich białek i hemu tworzonego głównie przez żelazo.
Dlaczego przy niedoborze żelaza komórki nieefektywnie sprawują swoje funkcje?
Cytochrom c stanowi kluczowy dla potrzeb procesu oddychania komórkowego enzym, którego zadaniem jest przenoszenie elektronów między białkami wbudowanymi w błonę mitochondrium, a białkowymi kompleksami, które muszą dostarczyć elektron na cząsteczkę tlenu. Bez tego enzymu proces oddychania komórkowego nie miałby najmniejszych szans bytu. Warto wspomnieć tu i o tym, że oddychanie komórkowe jest wieloetapowym i niezwykle skomplikowanym procesem zachodzącym w każdej komórce żywej, polegającym na utlenianiu związków organicznych, celem uzyskania użytecznej biologicznie energii.
Oddychanie komórkowe zachodzi w sposób nieprzerwany nawet wtedy, gdy inne szlaki metaboliczne zostaną z przyczyn patologicznych zatrzymane. Uzyskany w trakcie licznych reakcji biochemicznych wysokoenergetyczny związek w postaci ATP (adenozynotrifosforan) wykorzystany zostaje do innych procesów przebiegających w komórkach oraz do przeprowadzania czynności, jakie umożliwiają nam fizyczną pracę i poruszanie się. Oddychanie komórkowe przebiega w mitochondriach – najlepiej wyspecjalizowanych organellach odpowiadających za metabolizm komórkowy. Dobrze wiedzieć, że praktycznie każda reakcja zaangażowana w metabolizm komórkowy wymaga obecności przynajmniej jednego enzymu zawierającego w budowie chemicznej żelazo.
Zwróćmy uwagę i na to, że jeśli organizmowi brakuje dostaw tlenu bądź białek przenoszących tlen, wytwarzanie ATP zachodzi bez udziału tlen, a wówczas powstaje kwas mlekowy jako produkt uboczny reakcji. W pewnym stopniu to właśnie on jest odpowiedzialny za powstawanie “zakwasów”, których każdy z nas doświadcza. Jeśli na skutek niedoboru żelaza, zacznie brakować nam cytochromów, do mięśni będą transportowane mniejsze porcje tlenu, wobec czego, męczliwość mięśni będzie kilkukrotnie wyższa, niż wtedy, gdy poziom żelaza jest wyrównany. Wówczas mięśnie będą bardziej podatne na mikrouszkodzenia i na oddychanie komórkowe bez udziału tlenu (fermentacja), co da o sobie znać, gdy pojawią się zakwasy.
Peroksydazy to enzymy niezbędne dla prawidłowego funkcjonowania wielu organów i gruczołów. Peroksydaza tarczycowa zawarta jest w szczytowych częściach komórek budujących pęcherzyki tarczycy. Odpowiedzialna jest za syntezę hormonów tarczycowych. Jej zadaniem jest utlenianie jodu i przekształcanie nieaktywnej jodotyrozyny w trójjodotyroninę, z której powstaje tetrajodotyronina, zwana również tyroksyną. Ten hormon reguluje tempo metabolizmu i ciepłotę ciała. Niedobór peroksydazy skutkuje przemianą mniejszych stężeń jodotyrozyny w postać aktywnie działającą. Jest to patologiczny stan predysponujący do rozwoju choroby Hashimoto – autoimmunologicznego zapalenia tarczycy, mającym konsekwencje w formie rozwoju niedoczynności tego gruczołu.
Peroksydaza glutationowa jest z kolei enzymem ochronnym dla naszych komórek i materiału genetycznego. Działa bowiem, antyoksydacynie – przeciwutleniająco. W trakcie oddychania komórkowego powstają reaktywne formy tlenu (RFT) jako produkty uboczne, które niestety, posiadają niszczycielską moc. Ponieważ mają przynajmniej 1 niesparowany elektron na swojej ostatniej powłoce (walencyjnej) – najbardziej oddalonej od atomu, posiadają chęć oddania go innej cząsteczce. Związki chemiczne budujące nasze struktury komórkowe są bardzo wrażliwe na ich działanie i dość szybko przyjmują wolny elektron od nadreaktywnej cząstki. W ten sposób dość szybko utleniają się znacznie tracąc na swojej wartości. Utleniona struktura bardzo szybko odmawia posłuszeństwa w działaniu. Błona komórka z utlenionymi lipidami zmienia przepuszczalność dla substancji znajdujących się poza komórką, które nie powinny mieć prawa wstępu do jej wnętrza. O ile uszkodzeniu ulega mało istotna struktura bądź organella, którą można odtworzyć, problem nie istnieje.
“Schody” zaczynają się dopiero wtedy, gdy wolny rodnik (elektron) uwolniony z nadreaktywnej cząstki wbuduje się w DNA. Materiał genetyczny koduje informację na temat wszystkich związków wchodzących w skład naszego ciała i na jego podstawie w dowolnej chwili można odtworzyć poszczególne elementy. Kiedy jednak, zmienia się zapis, sytuacja jest o wiele trudniejsza, ponieważ wtedy, nowo utworzone struktury okazują się wadliwe bądź bezużyteczne, gdyż nie posiadają już swoich uprzednich umiejętności. Błędy w DNA bardzo często wiążą się też z tym, że komórka nabiera nowych możliwości, czasami nawet staje się agresywna względem innych jednostek, albo przestaje reagować na sygnały nakłaniające ją do poddania się. I to jest sytuacja patowa. Tą techniką powstają nowotwory. A jaka jest tu rola żelaza? Jest podstawowym materiałem budulcowym dla peroksydazy glutationowej, aktywnie usuwającej rodniki ponadtlenkowe, a więc, te rodniki, które uchodzą za najbardziej niebezpieczne!
Udział i rola żelaza w hemoglobinie
Żelazo jest najważniejszym elementem hemu występującego w hemoglobinie, obecnym w erytrocytach (czerwone krwinki). Hemoglobina zbudowana jest z 2 złożonych białek o konformacji alfa, 2 o konformacji beta oraz z 4 podjednostek hemu, w którego centrum znajduje się żelazo. Pojedyncza cząsteczka hemoglobiny potrafi przyjąć aż 4 atomy tlenu. Najważniejszą funkcją hemoglobiny jest przenoszenie tlenu z płuc do wszystkich tkanek ciała oraz zabieranie dwutlenku węgla. Wiązanie tlenu przez hemoglobinę ma związek ze zmianami konformacji cząsteczki, co wywołuje efekt w postaci zmiany stopnia utlenienia centralnie umieszczonego jonu żelaza. Z uwagi na to, że hemoglobina może przyjmować różne konformacje, wyróżnia się kilka jej rodzajów. W prawidłowych warunkach fizjologicznych występuje oksyhemoglobina, która w każdej chwili może zostać utleniona do methemoglobiny, zawierającej żelazo na +3 stopniu utlenienia. Ta ostatnia nie posiada zdolności do wiązania tlenu.
Doskonale znane są przypadki, gdzie na skutek zanieczyszczenia powietrza czadem, który jest bezzapachowym, bezbarwnym i silnie toksycznym gazem, doszło do zatrucia lub śmiertelnego zaczadzenia. Wdychany wraz z powietrzem czad dociera do płuc, gdzie łączy się z hemoglobiną. Ponieważ CO wykazuje silniejsze powinowactwo do hemu aniżeli tlen, łączy się z nim zamieniając oksyhemoglobinę z jonem żelaza na +3 stopniu utlenienia na methemoglobinę, której żelazowy jon występuje na +2 stopniu. Erytrocyty zawierające hem tworzący kompleks z trującym tlenkiem docierają do wszystkich tkanek ciała i tam go oddają. W ten oto sposób, następuje zabójczy proces wysycania wszystkich komórek ciała toksyną, zamiast życiodajnym tlenem. Wniosek? To jaki związek chemiczny będą transportowały ludzkie erytrocyty zależne jest od właściwości jonu żelaza, który stanowi centrum aktywne hemu.
Żelazo odpowiada za przekazywanie impulsów pomiędzy neuronami.
Żelazo w układzie nerwowym
Bez żelaza prawidłowe funkcjonowanie układu nerwowego nie byłoby możliwe. Bogate jego pokłady występują w oligodendrocytach (typ komórek mikrogejowych należących do układu nerwowego, odpowiadających za odżywianie i ochronę neuronów). Jego stężenie w tych komórkach podlega ścisłej kontroli przez transferynę (białko transportowe) i jej pochodne. Warto zaznaczyć, że akurat w tych miejscach nie podlega wykorzystywaniu przez komórki, lecz kumulowane jest w ferrytynie –proteinie, która pełni rolę spichlerza. Przypuszcza się, że oligodendrocyty mogą odpowiadać w pewnym stopniu za metabolizm tego pierwiastka w układzie nerwowym. Żelazo odpowiada za niezaburzone przekazywanie impulsów z jednego neuronu do drugiego oraz domniemuje się, że to za jego przyczyną bariera krew-mózg zachowuje integralność.
Znany jest cały szereg zależnych od żelaza chemicznych związków (głównie enzymów i białek), które inicjują procesy synapsogenezy (tworzenie synaps). Synapsą nazywamy miejsce, gdzie błona kończąca akson (osiowa wypustka neuronu) łączy się z błoną drugiego aksonu lub aparatu wykonawczego. Tworzenie nowych połączeń typu synapsa jest specyficzne dla procesów zapamiętywania i rozwijania możliwości intelektualnych. Innymi słowy: im więcej synaps, tym więcej jesteśmy w stanie się nauczyć. Poprzez synapsy przekazywane są ważne neurotransmitery (dopamina, serotonina), które warunkują dobre samopoczucie. Dobrze wiedzieć, że jony żelaza są katalizatorem dla reakcji, w których te związki chemiczne powstają. Ponieważ żelazo aktywnie uczestniczy w produkcji dopaminy – hormonu szczęścia, przypisuje mu się działanie antydepresyjne. Żelazo to również składnik hydrolazy tryptofanowej, która jest substratem dla serotoniny – drugiego istotnego hormonu determinującego dobry humor.
Żelazo – biopierwiastek o 2 obliczach
Absorpcja żelaza ma miejsce w jelicie cienkim. W sytuacji znacznych braków organizm podejmuje próbę obrony przed krytycznym stanem niedoboru i nasila ekspresję białek receptorowych dla żelaza zlokalizowanych na enterocytach (komórkach nabłonkowych jelit), co umożliwia wychwyt większych jego ilości, niż w normożelazemii. Mimo, iż żelazo jest jednym z najważniejszych biopierwiastków dla organizmu, posiada właściwości redox (utleniania), a więc jest też potencjalnie niebezpiecznym dla zdrowia czynnikiem. Występujące pojedynczo jony żelaza, które nie są związane z żadnym białkiem mogą powodować peroksydację lipidów (utlenianie) i uszkadzać DNA. Wolne jony żelaza zachowują się zatem tak, jak wolne rodniki, które uwalniają się z reaktywnych form tlenu (RFT). I tu właśnie widoczny jest paradoks żelaza. Z jednej strony, wchodzi w skład enzymu, który aktywnie chroni komórki przed niszczycielskim działaniem wolnych rodników, a z drugiej – zawsze istnieje ryzyko, że samo przejmie funkcję rodnika.
Takie zachowanie wynika z jego właściwości fizycznych. Żelazo jest metalem nieszlachetnym, który w zależności od środowiska może zmieniać swój stopień utleniania i chętnie przyjmować lub oddawać elektrony. Eksperyment przeprowadzony przez Stegera i Muchlebacha jednoznacznie dowodzi, że żelazo w określonych warunkach potrafi utleniać lipidy. Uczeni przygotowali kilka emulsji tłuszczowych Intralapid, umieścili w workach i przechowywali w różnych warunkach temperaturowych. Worki co jakiś czas były też eksponowane na promieniowanie UV. Okazało się, że emulsje zawierające żelazo posiadały blisko 6,5 razy więcej produktów pochodzących z peroksydacji, niż te, które były go pozbawione. Najważniejszym czynnikiem determinującym wzrost stężenia produktów utleniania okazała się być jednak, wysoka temperatura i promieniowanie UV. Właśnie dlatego, organizmy ludzkie zostały wyposażone przez naturę w bogaty szereg proteinowych systemów, które umożliwiają zarówno bezpieczny transport tego biopierwiastka, jak i jego dystrybucję czy magazynowanie.
Występowanie żelaza
Żelazo w największych ilościach występuje w mięsie i podrobach, a głównie w wołowej wątróbce – 18,7 mg/ 100 g i cielęcej – 8,7 mg/100g. Poza tym, w kiszce krwistej występuje 16,9 mg/100 g żelaza, w wątróbce z kurczaka 10 mg/100g, w nerkach wieprzowych 8,0 mg/100 g. Bardzo dobrym źródłem są także produkty zbożowe, ziarna i nasiona. W otrębach pszennych znajduje się 15,0 mg/100 g żelaza, w pestkach dyni – 15,4 mg, w płatkach kukurydzianych – 13,0 mg/100 g, w kakao 16% – 10,9 mg/100g, w niebieskim maku 8,2 mg/100 g.
Spośród warzyw i owoców na uwagę zasługują: nasiona sojowe – 8,9 mg/100 g, biała fasola – 6,9 mg/100 g, czerwona soczewica – 5,8 mg /100 g, liście pietruszki – 5,3 mg/100 g, kiełki soczewicy 2,9 mg/ 100 g, szpinak 2,9 mg/100 g, suszone morele – 3,7 mg/100 g, rodzynki 2,3 mg/100 g, powidła śliwkowe 2,2 mg/100 g, suszone daktyle 2,0 mg/ 100 g.
